2003年，一道閃電擊中了美國肯塔基州某個鄉村中的威士忌倉庫，引發了80多萬加侖的藏酒起火。其中一些威士忌流入了附近的湖水中，引發了巨大的火龍捲。後來，一些科學家從視訊中看到了這一幕，激起了他們對火龍捲的研究興趣。
2016年，馬里蘭大學的一組科學家在實驗室研究火龍捲時收穫了意外的驚喜，他們首次發現混亂的火旋渦變成了溫和、乾淨的火焰，他們將這種幽靈般的安靜火焰稱為藍色旋渦（blue whirl）。
藍色旋渦可以形成與漂浮在水面上的液體燃料中，火焰從狂暴混亂的火龍捲過渡到穩定的藍色火焰。| 視訊來源：Xiao et al.
那時，研究人員Huahua Xiao、Michael Gollner和Elaine Oran在實驗室中搭建了一個由兩個石英半圓柱體和一個裝滿了水的圓柱體不鏽鋼容器組成的實驗裝置。他們將一種名為正庚烷的液態燃料倒在靜止的水面上，然後讓兩個半圓柱體懸掛在不鏽鋼容器之上。兩個半圓柱體之間會形成的垂直狹縫，當燃料被點燃時，冷空氣能以切向的方式被吸入火焰區域，這是一種在實驗室研究中常用的製造火旋風的方法。
在燃料剛被點燃時，水面上一開始先是出現混亂的大火；接著，從狹縫中吸入的冷空氣形成了強烈的垂直氣流，造就了一個高而強烈的火旋風；再然後，這一切突然意外地坍縮成了平靜的、旋轉的藍色火焰。
藍色旋渦是一種小型的旋轉火焰，燃燒時幾乎不會產生煙塵。| 圖片來源：Chung et al. / ScienceAdvances
這種小型的、穩定的旋轉火焰，看起來像玩具陀螺一樣，形狀有點類似《哈利·波特》中的分院帽，它的大部分燃燒是沿著一個非常明亮的藍色光環旋轉，在燃燒時幾乎不會產生任何煙塵，是一種燃料效率非常高的燃燒方式。這一點非常具有吸引力，因為這意味著這種火焰或許能被用來使得燃料的燃燒變得更加清潔和高效，從而為清理海上的石油洩漏等問題提供更有效的解決方法。
然而，在將這種理想的清潔燃燒形式用於實踐之前，詳盡地理解這種火焰的結構是十分關鍵的，但這並不容易做到。直到最近，一篇發表在《科學進展》上的研究表明，馬里蘭大學的Joseph Chung和Xiao Zhang等人透過使用超級計算機，分析了2016年的藍色旋渦實驗資料，並最終揭示了這種神祕火焰的結構，成功地確認了燃燒的類型。
通常情況下，大多數火焰可分為擴散火焰和預混火焰兩大類。在擴散火焰中，燃料和氧氣通常最初是分開的，它們相互擴散，火焰會在氧氣和燃料相遇的地方形成，這種過程在一定程度上會限制火焰的燃燒速度。在預混火焰中，氧氣和燃料會預先混合，根據燃料與氧氣的比例，預混火焰可分為三種不同的類型，分別是富燃火焰（燃料過量）、貧燃火焰（燃料不足）和化學計量性火焰（燃料恰到好處）。
新研究中的對藍色旋渦的模擬和計算是基於納維葉-斯托克斯方程（NS方程）進行的，進行這種模擬並不容易，其中涉及到在多個時間和空間尺度上、從多個物理和化學角度進行計算，這些計算都很困難，並且計算代價高昂。尤其是研究人員想要在3D動態的形式下對火焰進行模擬，更是增添了計算成本。
儘管如此，研究人員透過調整模型中的一些參數，比如燃料和空氣的速度和流量等，最終成功地形成了一個藍色旋渦。模擬結果表明，這種火焰中存在三種不同的層流火焰：一種擴散火焰，一種預混的富燃火焰，和預混的貧燃火焰，每一種都以不同的速度釋放熱量。當這三種火焰相遇，會形成一個旋轉著的藍色光環的三重火焰。
模擬結果所顯示的藍色旋渦結構圖。| 圖片來源：Chung et al. / ScienceAdvances
如此一來，四種不同類型的火焰組成了我們看到的藍色旋渦：它的底部是預混的富燃火焰；頂部是紫色的像分院帽一樣的擴散火焰；在實驗中不可見的是圍繞在紫色霾周圍的預混貧燃火焰，它就處於擴散火焰外圍的上部區域；明亮的藍色光環則是三種火焰交匯的地方，即三重火焰。
除了研究火焰的結構之外，研究人員還分析了藍色旋渦的流動結構。模擬結果表明，流動結構的出現是由渦旋破碎（vortex breakdown）所導致的結果，渦旋破碎是一種流體動力學現象，是發生在旋渦流中的流體不穩定性。
穩定的藍色旋渦。| 圖片來源：H. Xiao / University of Science and Technology of China / ScienceAdvances
研究結果對於眼下的正面臨的環境問題具有積極的意義。目前，燃燒碳氫化合物是能源的一個主要來源之一，然而這能對環境產生嚴重的影響。作為一種燃燒方式，幾乎不產生煙塵的藍色旋渦可以燃燒很多種液態碳氫化合物燃料，它能大大減少汙染，削弱對環境的損害。因此研究人員希望，未來透過對藍色旋渦進行進一步模擬和實驗，他們能夠在更大的尺度上產生藍色旋渦，或者能找到更安全的、直接形成藍色旋渦的方式。
參考連結：
https://www.tacc.utexas.edu/-/blue-whirl-flame-structure-revealed-with-supercomputers
https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba0827/tab-article-info
https://www.newscientist.com/article/2251703-blue-whirl-that-consumes-all-fuel-it-encounters-is-three-flames-in-one/
https://www.sciencenews.org/article/blue-whirl-flame-structure-physics
封面圖來源：Sriram Hariharan / 馬里蘭大學
